L'exposition aux particules fines et ultrafines, pouvant contenir des éléments métalliques, est un sujet de préoccupation sanitaire majeure, notamment dans les zones fortement industrialisées. Cette thèse a consisté à mieux caractériser la fraction métallique des particules fines et ultrafines émises dans un contexte industrialo-urbain (Littoral dunkerquois) et à déterminer leur bioaccessibilité pulmonaire, en lien avec l'impact sanitaire. Des particules ont été collectées selon leur granulométrie dans des environnements très contrastés : (i) en milieu urbain sous l'influence du trafic automobile et d'émissions industrielles et (ii) à proximité immédiate et à la source même d'une usine de ferromanganèse (Glencore), caractéristique de l'activité industrielle du dunkerquois. La bioaccessibilité pulmonaire des éléménts métalliques a été déterminée par une extraction avec un fluide pulmonaire synthétique (solution "Gamble") et comparée avec une méthode d'extraction séquentielle. En milieu urbain, les concentrations élémentaires dans les particules ultrafines sont principalement liées aux sources locales (issues d'émissions de véhicules ou de chauffage). Les particules submicroniques (< 1µm) sont elles, principalement affectées par les sources industrielles, notamment la métallurgie, principale émettrice de métaux particulaires de la zone industrielle. Les autres sources identifiées par les traceurs métalliques sont la pétrochimie, la combustion des fiouls lourds et des charbons et les sources naturelles (terrigène et marine). Une variabilité temporelle importante des concentrations en masse des particules fines et ultrafines et de leurs teneurs en éléments métalliques a été observée, en cheminée et en champ proche de l'usine de ferromanganèse. Les fortes concentrations en particules ultrafines (PM₀,₁ : 60% de la masse des PM₂,₅), enrichies en métaux de cheminée, diminuent rapidement à proximité immédiate de l'usine, dû au changement rapide des conditions de température et d'humidité induisant des transformations précoces de la matière particulaire. Ce travail a permis par ailleurs de montrer que la bioaccessibilité des métaux associés aux particules est variable selon les propriétés physicochimiques des particules (spéciation chimique des métaux et distribution granulométrique), en lien avec leurs origines et leurs processus de formation. La bioaccessibilité des métaux peut aussi être affectée par des transformations physico-chimiques (mélange/agglomération, agrégation, oxydoréduction...) des particules fines durant leur transport atmosphérique. L'estimation in-vitro de la bioaccessibilité permet de mieux comprendre la biodosponibilité des métaux dans l'organiqme et donc de mieux appréhender l'impact sanitaire des métaux toxiques. / Exposure to metals from fine and ultrafine particles is of major health concern, especially in heavily industrialized areas. This thesis aims to better characterize the metal fraction of fine and ultrafine particles emitted in an industrial-marked urban context (Dunkirk harbour) and to determine their lung bioaccessibility, in relation with their health impact. Particles were collected according to their size in specific environments : (i) in an urban area influenced by traffic and industrial emissions and (ii) at the stacks and in the vicinity of a ferromanganese plant (Glencore), characteristic of the industrial activity in Dunkirk. Pulmonary bioaccessibility of metals was determined using a synthetic lung fluid (Gamble solution), and compared to a sequential extraction method. In the urban area, the elemental concentrations in ultrafine particles are primarily related to lacal sources (traffic and housse heating), while submicronic particles (< 1µm) are mainly affected by industrial sources, especially metallurgical plants, the main source of particulate metals in the industrial area. The other sources identified are petrochemistry, coal and heavy-fuels burning and natural sources (sea salts and crustal particles). A high temporal variability of fine and ultrafine particles mass concentrations and of their metal contents was observed at the stacks and in the close environment of the ferromanganese plant. The high concentrations of ultrafine particles (PM₀,₁ : 60% of the total PM₂,₅ mass), enriched in metals, as observed in stack flues, decrease rapidly in the vicinity of the plant, due to the changes in temperatureand humidity, inducing rapid transformations. The metal bioaccessibility varies according to the particle properties (metals chemical speciation and particle size distribution), depending on their origin and formation processes. This metal bioaccessibility may also be affected by physicochemical transformations of fine particles occuring during atmospheric transport (mixing/agglomeration, aggregation, oxidation or reduction processes). The in-vitro bioaccessibility assessment is of interest to better understand the metal bioavailability and thus for a better appreciation of the health impact of toxic metals.

Les particules atmosphériques sont responsables de 3,2 millions de morts par an, cette mortalité faisant suite à des cardiopathies, bronchopathies ou encore des cancers. De nombreuses études épidémiologiques et mécanistiques associent l’augmentation de la prévalence des cancers pulmonaires avec l’exposition à la pollution atmosphérique et aux particules fines (PM2.5), d’où leur classification très récente comme cancérogène avéré pour l’homme par le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC groupe 1). Les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la pathogénicité pulmonaire des polluants atmosphériques restent encore très controversés, ceci étant notamment lié à l’utilisation de modèles de culture cellulaire très éloignées des conditions in vivo. De plus, les PM2.5 présente une complexité physico-chimique (taille, nombre, morphologie et composition chimique) et une grande variabilité temporelle. En effet, ces particules sont constituées de nombreux polluants toxiques organiques, notamment des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), ou encore des métaux, et ce à des teneurs parfois importantes. La complexité de leur composition rend les données toxicologiques difficilement interprétables, d’autant plus que la majorité des études toxicologiques publiées jusqu’à récemment ont souvent négligé la détermination de leur caractéristiques physico-chimiques.Mon projet de thèse a pour objectif d’évaluer le rôle des PM2.5, prélevées sur un site urbain (Lille), dans la cancérogenèse pulmonaire et ce, par une approche pluridisciplinaire qui permettra d’établir un lien étroit entre la physico-chimie et la toxicologie de ces particules.La première partie de mon projet est consacrée aux prélèvements des PM2.5, à Lille, au cours de deux saisons contrastées, et à l’évaluation de leurs principales caractéristiques physico-chimiques, à savoir leur granulométrie, leur composition chimique (métaux et HAP) ou encore leur bioaccessibilité dans des milieux de culture cellulaire ou des fluides bronchiques.La seconde partie consiste au développement d’un modèle de cellules épithéliales bronchiques humaines, issues de sujets sains et de patients atteints de Broncho-Pneumopathies Chroniques Obstructives (BPCO), différentiées à l’interface air/liquide, puis exposées de manière réitérée à des concentrations relativement faibles des PM2.5 prélevées à Lille. Ce modèle innovant permet de mieux intégrer un certain nombre de facteurs liés à la préexistence d’un état inflammatoire chronique et d’obtenir un état de différenciation cellulaire le plus proche possible des conditions d’exposition in vivo. Sur ce modèle cellulaire, après exposition, le phénotype inflammatoire, l’état de stress oxydatif ainsi que les modifications génétiques et épigénétiques sont étudiés.Les résultats de ce travail contribueront par une approche pluridisciplinaire à mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à la toxicité voire la cancérogénicité des PM2.5, et à expliquer pourquoi les individus atteints de BPCO sont plus sensibles que les sujets sains à l’exposition à long terme à des niveaux usuels de PM2.5. / Atmospheric particles are responsible for 3.2 million deaths per year, this mortality is due to heart diseases, bronchial diseases or cancers. Numerous epidemiological and toxicological studies associate the lung cancer prevalence increase with exposure to air pollution and particularly fine particulate matter (PM2.5). PM2.5 were recently classified as carcinogen to humans by International Agency for Research in Cancer (IARC group 1). Cellular and molecular mechanisms involved in air pollutants pulmonary pathogenicity are still very controversial. This is particularly related to the use of cell culture models far from in vivo conditions. In addition, PM2.5 have a physico-chemical complexity (size, number, morphology and chemical composition) and a high temporal variability. Indeed, these particles contain many toxic organic pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), or metals, and sometimes at significant levels. The complexity of their composition makes the toxicological datas difficult to interpret, especially as the majority of toxicological studies published until recently have often overlooked the determination of their physicochemical characteristics.My thesis project aims at assessing the role of PM2.5, sampled on an urban site (Lille), in lung carcinogenesis through a multidisciplinary approach which will establish a tight connection between chemistry and toxicology of these particles.The first part of my project consisted of the PM2.5 sampling, in Lille, during two contrasting seasons, and the evaluation of their main physical and chemical characteristics, as their size, chemical composition (metals and PAHs ) or their bioavailability in cell culture media or bronchial fluids.The second part consisted of the development of human bronchial epithelial cells from healthy subjects and patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD), differentiated in air / liquid interface conditions, and exposed to repeated low concentrations of PM2.5 collected in Lille. This innovative model better integrates a number of factors related to the pre-existence of a chronic inflammatory state and gets the closest cell differentiation state possible to the in vivo exposure conditions. On this cellular model, after exposure, the inflammatory phenotype, the oxidative state as well as genetic and epigenetic status were studied.Using a multidisciplinary approach, the results of this work will contribute to better understand the molecular mechanisms related to PM2.5 toxicity or carcinogenicity, and to explain why COPD patients are more sensitive than healthy people to PM2.5 long term exposure.